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Hohe Windkraftanlagen dank Türmen aus Stahl

Windkrafträder auf der Höhe des technischen Fortschritts

Tetraflex Projektteam Windkraft Stahl

Es sind ehrgeizige Ziele, die die Weltgemeinschaft zur Erreichung der internationalen Klimaziele realisieren müsste. Doch wie können wir unseren Strombedarf decken, wenn wir zunehmend aus der Produktion mit fossilen Energieträgern aussteigen, um CO2-Emissionen zu vermeiden? Eine Antwort liefert ein Projektteam von thyssenkrupp Steel: TetraFlex®. Die neuartigen Türme für Windkrafträder katapultieren die Produktion durch erneuerbare Ressourcen auf ein neues Niveau – im wortwörtlichen Sinn.

Auf über 140 Meter Höhe erhebt die neue Konstruktion aus Stahl die Nabe der Windkrafträder. Das sind im Vergleich zu einer herkömmlichen Windkraftanlage mehr als 50 Meter mehr, die einen enormen Unterschied machen: Denn in dieser Höhe weht der Wind stetiger und stärker. Mit den bereits vorhandenen und erprobten Technologien für Windkraftanlagen ließen sich dort je nach Standort und Geländetopographie rund 20 Prozent mehr Leistung produzieren, berichtet Klaus Kottkamp, der als Anwendungsberater für thyssenkrupp Steel die Entwicklung des TetraFlex®-Prototyps vorantreibt. Das Ergebnis: Je nach Windprofil und Windturbine kann so pro Jahr bis zu 20 Prozent mehr Energie auf dem höheren Turm produziert werden. „Gleichzeitig senken wir durch die Art der Konstruktion signifikant die Baukosten– was entscheidend dafür sein kann, ob zukunftsweisende Projekte dieser Art tatsächlich realisiert werden.“

Windkraftanlagen im Test

„Bisher wissen wir, dass wir in Sachen Zeit und Kosten mit der Anlage absolut wettbewerbsfähig sind“, erklärt Dr. Siear Qaimi, der im Team Regional Business Development bei thyssenkrupp Steel das TetraFlex®-Projekt leitet. Was bisher noch auf theoretischen Berechnungen basierte, soll nun anhand des Prototyps, welcher in China errichtet werden wird, auch mit Zahlen belegt werden. Und er möchte neue Antworten auf die drängendsten Fragen seiner Kunden finden: Was sind die Sorgen und Schmerzen bei einem Projekt dieser Art und wo besteht Handlungsbedarf? Aus dem bisherigen Projektverlauf und der Zusammenarbeit mit Experten aus der Windindustrie sind bereits jetzt viele neue Ideen entstanden, berichtet Dr. Qaimi: „Diese Entwicklungen, die ein großes Potential zur Kosteneinsparung haben, sind bereits zum Patent angemeldet worden oder werden in Kürze angemeldet.“ Und das Team hat längst weitergedacht: So besteht neben der vorliegenden Lösung für Onshore-Anlagen auch Entsprechendes für Offshore-Anwendungen.

Turmhöhe trifft auf Nachfrage

Während das Team die theoretischen Daten anhand von realen Ergebnissen validiert und die Windkraftanlage weiter optimiert, treibt es zeitgleich die Marktchancen für TetraFlex® mit dem Aufbau eines Joint-Ventures weiter voran, wie Dr. Yu Sun, Leiter Regional Business Development: „Die Verhandlungen sind nahezu abgeschlossen“, sagt er zufrieden. „Hier kommt zusammen, was zusammengehört“, stimmt ihm Klaus Kottkamp zu. Was sie damit meinen? „Wir haben die Ideen und die Technologie, in China gibt es die Nachfrage. Und das macht aus dem Projekt einen profitablen Anwendungsfall.“ Geplant ist die Errichtung eines Windparks auf dem Gelände einer ehemaligen Eisenmine des chinesischen Projektpartners Ansteel. Für mehrere neue Windräder wollen sie dort noch ab diesem Jahr die Voraussetzungen schaffen.

Windkraft: Starkes Partner-Netzwerk

Bei der Realisation der Pläne setzt das Joint-Venture auf ein sehr weitverzweigtes Netzwerk vor Ort. „Die Supply Chain steht“, sagt Klaus Kottkamp, „Wir müssen in dieser Hinsicht nichts neu erfinden, denn alles was wir an Materialien, Kompetenzen und Technologien brauchen, finden wir schon vor.“ Erfahrene Spezialisten, bekannt aus einer langjährigen und vertrauensvollen Zusammenarbeit, stehen bereit. Dementsprechend schnell kann die Produktion bei Bedarf Fahrt aufnehmen, und hier zahlt sich ein wesentlicher Vorteil der Konstruktionsidee von TetraFlex® aus, wie Dr. Qaimi erklärt: „Wir setzen auf ein modulares Design. Das erleichtert den Transport und den Aufbau: Der Turm an kann innerhalb von drei Wochen errichtet werden“, verspricht er.

Stahl ist eben für Windkraft perfekt geeignet

Genau das könnte ein wichtiger Erfolgsfaktor für TetraFlex® sein, prognostiziert Dr. Sun: „Derzeit entwickelt sich der Markt für Windkraft insbesondere in Asien sehr dynamisch. Allein China plant, 25 GW pro Jahr an Windenergie zu installieren. Die bestehenden Markteintrittsbarrieren können wir durch unser Konzept sehr elegant überwinden.“ Auf die Frage, ob mit dem Einstieg in den Windenergie-Sektor nicht auch ein hohes Risiko verbunden sei, winkt er ab: „Wir bleiben bei unseren Kompetenzen: Zu zeigen, was mit Stahl alles möglich ist – und Wege zu finden, diese Lösungen dann auch zu realisieren.“ Er ist sicher, dass das TetraFlex®-Projekt in der Branche aufmerksam beobachtet wird. Denn der Bedarf an guten Ideen für erneuerbare Energien beschränke sich nicht auf China – der bestehe weltweit: „Und vielleicht steht irgendwann auch einmal ein TetraFlex® in Duisburg“, sagt er.

Die Konstruktionsweise des TetraFlex® bringt einige positive Effekte mit sich:

  • Leichte, aber sehr stabile Struktur: Statt über 1.500 Tonnen, die ein Hybrid-Turm aus Stahl und Beton wiegt, hat die Stahlkonstruktion nur 500–600 Tonnen Gewicht
  • Schneller Aufbau: Die modulare Bauweise erleichtert den Transport an den Einsatzort
  • Material und Bearbeiter-Netzwerk: Keine langen Anlieferungswege, denn durch dein Einsatz von Standardmaterialien ist alles vor Ort
  • Vergleichsweise geringer CO2-Footprint: Die Produktion des Alternativ-Baustoffs Beton belastet die Umwelt stärker
  • 100% recyclebar: Bei Bedarf können die Bauteile wiederverwendet werden – das ist bei Beton nicht der Fall

Frischer Wind für erneuerbare Energien

Tetraflex Projektteam
Siear Qaimi und Klaus Kottkamp sorgen mit TetraFlex® für eine Mehrleistung der Windenergieanlagen. © thyssenkrupp/Rainer Kaysers

Höher, leichter und komplett aus Stahl: Mit der innovativen TetraFlex®-Technologie lassen sich Windkraftanlagen in Zukunft als Stahlkonstruktion bauen. Damit steigt auch die Effizienz der modernen Windenergieanlagen.

Windenergie ist die ideale erneuerbare Energie. Sie verbraucht keine bestehenden Ressourcen und ist nahezu unbegrenzt verfügbar. Weil sie frei von Schadstoffen ist, stellt sie keine nachhaltige Gefahr für unsere Umwelt dar. Die Windanlagen hingegen lassen sich noch verbessern. Im Durchschnitt sind Windräder derzeit zwischen 70 und 90 Meter hoch. thyssenkrupp Steel hat nun eine Stahlkonstruktion namens TetraFlex® entwickelt. Damit können Windanlagen mit mehr als 150 Metern Höhe errichtet werden. Durch die Skalierung des Turms, des Rotors und der Turbine kann der Energieertrag deutlich gesteigert werden.

Stahlkonstruktion für mehr Energie

Neue Stahlkonstruktion für Windräder
Neue Stahlkonstruktion für Windräder: Der Sockel aus spiralnahtgeschweißten Rohren ermöglicht den höheren Bau von Windkraftanlagen. Je höher der Turm, desto größere Rotoren können eingesetzt werden. Damit steigt die Leistung der Windparks.

Grafik: thyssenkrupp

Das herkömmliche Design der Windräder wurde in eine gewichtsreduzierende Gitterstruktur aufgelöst. Die Konstruktion besteht nun aus spiralnahtgeschweißten Rohren. So können Anlagen komplett aus Stahl gebaut werden. Drei Pylone von etwa 1,5 Metern Durchmesser bilden die tragenden Elemente, in der Mitte ermöglicht ein Pylon von etwa 2,5 Metern Durchmesser den Wartungszugang zur Gondel. „Diese filigrane Konstruktion macht den Turm um rund 20 Prozent leichter und somit kostengünstiger als bisher existierende Konstruktionen“, sagt Dr. Lothar Patberg, Leiter Innovation bei thyssenkrupp Steel.

Ein weiterer Vorteil: Der Turm lässt sich, unabhängig von seiner Gesamthöhe, in einzelnen Segmenten erstellen und einfach transportieren. „Die Konstruktion ist so ausgelegt, dass möglichst viel in Baugruppen vorgefertigt wird“, so Stefan Mayer, der die Entwicklung von TetraFlex® im Bereich Innovation von Beginn an begleitet. „Auf der Baustelle muss man die Segmente dann nur noch verschrauben.“ Bei einem erforderlichen Rückbau ist die Stahlkonstruktion hundertprozentig recycelbar.

Erste Anlage in China

Für den Bau des Prototyps konnte mit dem chinesischen Stahlhersteller Ansteel der ideale Partner gewonnen werden. Mit dem staatlichen Unternehmen betreibt thyssenkrupp Steel seit 15 Jahren das Joint Venture Tagal, dessen Feuerverzinkungsanlagen die chinesische Automobilindustrie beliefern. Am Standort Ba Yuquan produziert Ansteel Strom auch mit eigenen Windkraftanlagen. „Als dort nun ein Ausbau anstand und die Kollegen von unserem TetraFlex®-Konzept erfuhren, waren sie sofort interessiert“, sagt Klaus Kottkamp, Anwendungsberater bei thyssenkrupp Steel und Projektleiter für den Bau des Prototyps. „Für uns ist das wirklich ein Glücksfall, da wir seit Jahren zusammenarbeiten, uns vertrauen und wir vor Ort sowohl die Segmente fertigen, den Aufbau durchführen und in der Folge auch den Machbarkeitsnachweis erbringen können.“

Mehr Strom durch Windkraft

China liegt nicht nur bei der Erzeugung von Windstrom weltweit an der Spitze, sondern auch beim Ausbau der Kapazitäten für die Energiegewinnung. Das Reich der Mitte will seine Produktion um 25 Gigawatt jährlich steigern. „Das hat zur Folge, dass in China in den nächsten Jahren rund 12.000 neue Windturbinen pro Jahr installiert werden“, sagt Dr. Yu Sun, Leiter Regional Business Development. Um die Kosteneffizienz zu verbessern, verlangt der Markt nach Konstruktionen mit möglichst wenig Materialeinsatz. Zugleich sollen die Türme höher werden und trotzdem leicht zu transportieren sein. „Je höher man geht, desto größer sind die Windgeschwindigkeiten“, so Sun. „Außerdem ist weiter oben die Windkraft stabiler, somit lässt sich mehr und kontinuierlich Strom gewinnen.“

Auf dem Gelände von Ansteel ist geplant, einen der 70-Meter-Türme gegen ein 150 Meter hohes TetraFlex®-Modell zu tauschen. Klaus Kottkamp: „Der Bau dieses TetraFlex®-Prototyps ermöglicht uns den direkten Vergleich mit vorhandenen Anlagen, sodass wir wertvolle Erkenntnisse über die Energieausbringung dieser Technologie gewinnen können.“ Neben der Effizienz soll der Prototyp auch Daten zur Herstellung, Aufbau und Wartung der neuen Anlagen liefern.

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